WebGL 메시 프리미티브 재시작: 효율적인 지오메트리 스트립 렌더링

WebGL 및 3D 그래픽 영역에서 효율적인 렌더링은 매우 중요합니다. 복잡한 3D 모델을 다룰 때 지오메트리 처리 및 드로잉 방식을 최적화하면 성능에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 효율성을 달성하기 위한 강력한 기술 중 하나는 메시 프리미티브 재시작입니다. 이 블로그 게시물에서는 메시 프리미티브 재시작이 무엇인지, 이점, WebGL에서 구현하는 방법, 효과를 극대화하기 위한 중요한 고려 사항을 자세히 살펴보겠습니다.

지오메트리 스트립이란 무엇입니까?

프리미티브 재시작을 살펴보기 전에 지오메트리 스트립을 이해하는 것이 중요합니다. 지오메트리 스트립(삼각형 스트립 또는 선 스트립)은 연결된 프리미티브 시리즈를 정의하는 연결된 정점 시퀀스입니다. 각 프리미티브(예: 삼각형)를 개별적으로 지정하는 대신 스트립은 인접한 프리미티브 간에 정점을 효율적으로 공유합니다. 이렇게 하면 그래픽 카드에 전송해야 하는 데이터 양이 줄어들어 렌더링 속도가 빨라집니다.

간단한 예를 들어보겠습니다. 스트립 없이 인접한 두 개의 삼각형을 그리려면 다음 여섯 개의 정점이 필요합니다.

• 삼각형 1: V1, V2, V3
• 삼각형 2: V2, V3, V4

삼각형 스트립을 사용하면 네 개의 정점만 필요합니다: V1, V2, V3, V4. 두 번째 삼각형은 이전 삼각형의 마지막 두 정점과 새 정점을 사용하여 자동으로 형성됩니다.

문제점: 연결되지 않은 스트립

지오메트리 스트립은 연속적인 표면에 적합합니다. 그러나 동일한 정점 버퍼 내에서 여러 개의 연결되지 않은 스트립을 그려야 하는 경우 어떻게 될까요? 전통적으로 각 스트립에 대해 별도의 드로우 호출을 관리해야 하며, 이로 인해 드로우 호출 전환과 관련된 오버헤드가 발생합니다. 이 오버헤드는 작고 연결되지 않은 스트립을 많이 렌더링할 때 상당해질 수 있습니다.

예를 들어 각 정사각형의 외곽선이 선 스트립으로 표시되는 정사각형 격자를 그린다고 상상해 보세요. 이러한 정사각형이 별도의 선 스트립으로 처리되면 각 정사각형에 대해 별도의 드로우 호출이 필요하므로 드로우 호출 전환이 많이 발생합니다.

메시 프리미티브 재시작으로 해결

이것이 바로 메시 프리미티브 재시작이 필요한 이유입니다. 프리미티브 재시작을 사용하면 스트립을 효과적으로 "분리"하고 동일한 드로우 호출 내에서 새 스트립을 시작할 수 있습니다. 이는 특수 인덱스 값을 사용하여 GPU에 현재 스트립을 종료하고 이전에 바인딩된 정점 버퍼 및 셰이더 프로그램을 재사용하여 새 스트립을 시작하도록 신호를 보냅니다. 이렇게 하면 여러 드로우 호출의 오버헤드를 피할 수 있습니다.

특수 인덱스 값은 일반적으로 주어진 인덱스 데이터 유형의 최대값입니다. 예를 들어 16비트 인덱스를 사용하는 경우 프리미티브 재시작 인덱스는 65535(2¹⁶ - 1)가 됩니다. 32비트 인덱스를 사용하는 경우 4294967295(2³² - 1)가 됩니다.

정사각형 격자 예제로 돌아가서 이제 단일 드로우 호출로 전체 격자를 나타낼 수 있습니다. 인덱스 버퍼에는 각 정사각형의 선 스트립에 대한 인덱스가 포함되며, 각 정사각형 사이에 프리미티브 재시작 인덱스가 삽입됩니다. GPU는 이 시퀀스를 단일 드로우 호출로 그려진 여러 개의 연결되지 않은 선 스트립으로 해석합니다.

메시 프리미티브 재시작의 이점

메시 프리미티브 재시작의 주요 이점은 드로우 호출 오버헤드 감소입니다. 여러 드로우 호출을 단일 드로우 호출로 통합함으로써 특히 작고 연결되지 않은 스트립을 많이 처리할 때 렌더링 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이는 다음으로 이어집니다.

• CPU 활용도 향상: 드로우 호출을 설정하고 실행하는 데 소비되는 시간이 줄어들어 게임 로직, AI 또는 장면 관리와 같은 다른 작업에 CPU를 사용할 수 있습니다.
• GPU 로드 감소: GPU는 데이터를 보다 효율적으로 수신하여 드로우 호출 간 전환에 소비되는 시간이 줄어들고 실제로 지오메트리를 렌더링하는 데 더 많은 시간을 소비합니다.
• 대기 시간 감소: 드로우 호출을 결합하면 렌더링 파이프라인의 전체 대기 시간을 줄여 더욱 부드럽고 반응성이 뛰어난 사용자 경험을 제공할 수 있습니다.
• 코드 단순화: 필요한 드로우 호출 수를 줄임으로써 렌더링 코드가 더 깔끔하고 이해하기 쉬우며 오류가 발생하기 쉽지 않습니다.

파티클 시스템 또는 절차적 콘텐츠와 같이 동적으로 생성된 지오메트리가 포함된 시나리오에서 프리미티브 재시작은 특히 유용할 수 있습니다. 지오메트리를 효율적으로 업데이트하고 단일 드로우 호출로 렌더링하여 성능 병목 현상을 최소화할 수 있습니다.

WebGL에서 메시 프리미티브 재시작 구현

WebGL에서 메시 프리미티브 재시작을 구현하려면 몇 가지 단계가 필요합니다.

1. 확장 활성화: WebGL 1.0은 프리미티브 재시작을 기본적으로 지원하지 않습니다. `OES_primitive_restart` 확장이 필요합니다. WebGL 2.0은 기본적으로 지원합니다. (WebGL 1.0을 사용하는 경우) 확장을 확인하고 활성화해야 합니다.
2. 정점 및 인덱스 버퍼 생성: 지오메트리 데이터와 프리미티브 재시작 인덱스 값이 포함된 정점 및 인덱스 버퍼를 만듭니다.
3. 버퍼 바인딩: 정점 및 인덱스 버퍼를 적절한 대상(예: `gl.ARRAY_BUFFER` 및 `gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER`)에 바인딩합니다.
4. 프리미티브 재시작 활성화: `gl.enable(gl.PRIMITIVE_RESTART_OES)`를 호출하여 `OES_primitive_restart` 확장(WebGL 1.0)을 활성화합니다. WebGL 2.0에서는 이 단계가 필요하지 않습니다.
5. 재시작 인덱스 설정: `gl.primitiveRestartIndex(index)`를 사용하여 프리미티브 재시작 인덱스 값을 지정하고 `index`를 적절한 값(예: 16비트 인덱스의 경우 65535)으로 바꿉니다. WebGL 1.0에서는 `gl.primitiveRestartIndexOES(index)`입니다.
6. 요소 그리기: `gl.drawElements()`를 사용하여 인덱스 버퍼를 사용하여 지오메트리를 렌더링합니다.

다음은 WebGL에서 프리미티브 재시작을 사용하는 방법을 보여주는 코드 예제입니다(WebGL 컨텍스트, 정점 및 인덱스 버퍼, 셰이더 프로그램을 이미 설정했다고 가정).

// OES_primitive_restart 확장을 확인하고 활성화합니다(WebGL 1.0만 해당).
let ext = gl.getExtension("OES_primitive_restart");
if (!ext && gl instanceof WebGLRenderingContext) {
  console.warn("OES_primitive_restart 확장이 지원되지 않습니다.");
}

// 정점 데이터(예: 두 개의 사각형)
let vertices = new Float32Array([
  // 사각형 1
  -0.5, -0.5, 0.0,
  0.5, -0.5, 0.0,
  0.5,  0.5, 0.0,
  -0.5,  0.5, 0.0,

  // 사각형 2
  -0.2, -0.2, 0.0,
  0.2, -0.2, 0.0,
  0.2,  0.2, 0.0,
  -0.2,  0.2, 0.0
]);

// 프리미티브 재시작 인덱스가 있는 인덱스 데이터(16비트 인덱스의 경우 65535)
let indices = new Uint16Array([
  0, 1, 2, 3, 65535, // 사각형 1, 재시작
  4, 5, 6, 7         // 사각형 2
]);

// 정점 버퍼를 만들고 데이터를 업로드합니다.
let vertexBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, vertices, gl.STATIC_DRAW);

// 인덱스 버퍼를 만들고 데이터를 업로드합니다.
let indexBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBuffer);
gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indices, gl.STATIC_DRAW);

// 프리미티브 재시작을 활성화합니다(WebGL 1.0에는 확장이 필요함).
if (ext) {
  gl.enable(ext.PRIMITIVE_RESTART_OES);
  gl.primitiveRestartIndexOES(65535);
} else if (gl instanceof WebGL2RenderingContext) {
  gl.enable(gl.PRIMITIVE_RESTART);
  gl.primitiveRestartIndex(65535);
}


// 정점 속성 설정(정점 위치가 위치 0에 있다고 가정)
gl.vertexAttribPointer(0, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
gl.enableVertexAttribArray(0);


// 인덱스 버퍼를 사용하여 요소를 그립니다.
gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBuffer);
gl.drawElements(gl.LINE_LOOP, indices.length, gl.UNSIGNED_SHORT, 0);

이 예제에서는 두 개의 사각형이 단일 드로우 호출 내에서 별도의 선 루프로 그려집니다. 인덱스 65535는 프리미티브 재시작 인덱스 역할을 하여 두 개의 사각형을 분리합니다. WebGL 2.0 또는 `OES_element_index_uint` 확장을 사용하고 32비트 인덱스가 필요한 경우 재시작 값은 4294967295이고 인덱스 유형은 `gl.UNSIGNED_INT`가 됩니다.

성능 고려 사항

프리미티브 재시작은 상당한 성능 이점을 제공하지만 다음 사항을 고려하는 것이 중요합니다.

• 확장 활성화 오버헤드: WebGL 1.0에서는 `OES_primitive_restart` 확장을 확인하고 활성화하는 데 약간의 오버헤드가 추가됩니다. 그러나 이 오버헤드는 일반적으로 드로우 호출 감소로 인한 성능 향상에 비해 무시할 수 있습니다.
• 메모리 사용량: 인덱스 버퍼에 프리미티브 재시작 인덱스를 포함하면 버퍼 크기가 늘어납니다. 특히 매우 큰 메시를 처리할 때 메모리 사용량과 성능 향상 간의 균형을 평가합니다.
• 호환성: WebGL 2.0은 프리미티브 재시작을 기본적으로 지원하지만 구형 하드웨어 또는 브라우저는 이를 완전히 지원하지 않거나 `OES_primitive_restart` 확장을 지원하지 않을 수 있습니다. 항상 다른 플랫폼에서 코드를 테스트하여 호환성을 확인합니다.
• 대체 기술: 특정 시나리오에서는 인스턴싱 또는 지오메트리 셰이더와 같은 대체 기술이 프리미티브 재시작보다 더 나은 성능을 제공할 수 있습니다. 애플리케이션의 특정 요구 사항을 고려하고 가장 적절한 방법을 선택합니다.

프리미티브 재시작을 사용하거나 사용하지 않고 애플리케이션을 벤치마킹하여 실제 성능 향상을 정량화하는 것을 고려하십시오. 하드웨어 및 드라이버가 다르면 결과가 다를 수 있습니다.

사용 사례 및 예제

프리미티브 재시작은 다음 시나리오에서 특히 유용합니다.

• 여러 개의 연결되지 않은 선 또는 삼각형 그리기: 정사각형 격자 예제에서 설명한 것처럼 프리미티브 재시작은 와이어프레임, 외곽선 또는 파티클과 같이 연결되지 않은 선 또는 삼각형 컬렉션을 렌더링하는 데 이상적입니다.
• 불연속성이 있는 복잡한 모델 렌더링: 연결되지 않은 부분이나 구멍이 있는 모델은 프리미티브 재시작을 사용하여 효율적으로 렌더링할 수 있습니다.
• 파티클 시스템: 파티클 시스템은 종종 많은 수의 작고 독립적인 파티클을 렌더링하는 것을 포함합니다. 프리미티브 재시작을 사용하여 이러한 파티클을 단일 드로우 호출로 그릴 수 있습니다.
• 절차적 지오메트리: 지오메트리를 동적으로 생성할 때 프리미티브 재시작은 연결되지 않은 스트립을 만들고 렌더링하는 프로세스를 단순화합니다.

실제 예:

• 지형 렌더링: 지형을 여러 개의 연결되지 않은 패치로 표현하면 특히 LOD(세부 수준) 기술과 결합될 때 프리미티브 재시작의 이점을 얻을 수 있습니다.
• CAD/CAM 애플리케이션: 복잡한 기계 부품을 복잡한 디테일로 표시하는 것은 종종 많은 작은 선 세그먼트와 삼각형을 렌더링하는 것을 포함합니다. 프리미티브 재시작은 이러한 애플리케이션의 렌더링 성능을 향상시킬 수 있습니다.
• 데이터 시각화: 데이터를 연결되지 않은 점, 선 또는 다각형 컬렉션으로 시각화하는 것은 프리미티브 재시작을 사용하여 최적화할 수 있습니다.

결론

메시 프리미티브 재시작은 WebGL에서 지오메트리 스트립 렌더링을 최적화하기 위한 유용한 기술입니다. 드로우 호출 오버헤드를 줄이고 CPU 및 GPU 활용도를 향상시킴으로써 3D 애플리케이션의 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이점, 구현 세부 정보 및 성능 고려 사항을 이해하는 것은 잠재력을 최대한 활용하는 데 필수적입니다. 모든 성능 관련 조언을 고려하는 동안: 벤치마크 및 측정하십시오!

메시 프리미티브 재시작을 WebGL 렌더링 파이프라인에 통합함으로써 특히 복잡하고 동적으로 생성된 지오메트리를 처리할 때 더욱 효율적이고 반응성이 뛰어난 3D 환경을 만들 수 있습니다. 이를 통해 더 부드러운 프레임 속도, 더 나은 사용자 경험을 얻을 수 있으며 더 복잡한 장면을 더 자세하게 렌더링할 수 있습니다.

WebGL 프로젝트에서 프리미티브 재시작을 실험하고 성능 향상을 직접 관찰하십시오. 3D 그래픽 렌더링을 최적화하기 위한 강력한 도구라는 것을 알게 될 것입니다.